汽车撞击下钢筋混凝土框架的动态响应与破坏模式研究

田力　胡国辉

摘要：为了研究汽车撞击下钢筋混凝土整体框架结构的动态响应、损伤机理及破坏模式，运用显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA建立6层钢筋混凝土框架结构模型，并对不同车速撞击下汽车与钢筋混凝土框架角柱和边中柱的破坏过程进行仿真模拟。结果表明：汽车撞击角柱和边中柱的损伤破坏过程相同；最大碰撞力与撞击速度呈线性关系；中国规范对汽车等效碰撞力的取值偏于不安全；在汽车的撞击作用下，被撞柱柱底发生弯剪破坏，柱顶发生剪切破坏，结构的动态反应具有局部性，只与被撞柱及周围相邻的构件有关。

关键词：汽车撞击；钢筋混凝土框架；损伤机理；破坏模式；线性关系

中图分类号：TU375.4文献标志码：A

Abstract： In order to study the dynamic response， damage mechanism and failure mode of reinforced concrete （RC） frame， explicit dynamic analysis software ANSYS/LSDYNA was used to build a model structure of sixstory reinforced concrete frame， then the damage processes of corner column and side column of the reinforced concrete frame under vehicle impact with different speeds were simulated. The results show that the failure process of corner column is same with the failure process of side column under vehicle impact. The relationship of maximum impact force and impact velocity is linear. Equivalent value of the car collision force in Chinese specification is unsafe. Under vehicle impact，the bending shear failure occurs at the bottom of the column， and the shear failure occurs at the top of the column；the dynamic response of the structure has limitations， and it is only related with the collision column and the surrounding adjacent members.

Key words： vehicle impact； reinforced concrete frame； damage mechanism； failure mode； linear relationship

0引言

随着经济的发展，机动车辆越来越多，大量建筑物也逐渐兴建起来，邻近路边的建筑物越来越密集，室内室外停车场所随处可见，汽车与建筑物之间的碰撞越来越多，并且往往会造成严重的后果，因此对建筑物遭受汽车撞击的研究非常有必要。在汽车撞击建筑结构的过程中，人们往往只关注发生很大破损、危及乘客和行人安全的汽车安全性能研究[12]，却忽视了遭受汽车撞击的建筑物的损伤破坏，结构遭受侧向撞击产生的损伤破坏会随着时间的推移越来越严重，最终发生难以挽救的后果。

在撞击研究方面，桥梁遭受船舶撞击的研究是比较成熟的[34]，汽车撞击研究主要集中在汽车撞击路桥护栏[5]、高架桥桥墩[67]和单根柱[8]的研究上，做理论分析时也大多简化为双自由度的质量弹簧模型[910]；另外，陆新征等[11]对超高车辆撞击桥梁上部结构的研究已经比较完善；对于整体建筑结构遭受汽车撞击的研究基本处于空白状态，研究甚少。基于此，本文运用显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA对汽车与钢筋混凝土框架结构的碰撞过程进行了数值仿真。首先，根据《混凝土结构设计规范》[12]，利用1栋实际建筑结构的数据建立了6层钢筋混凝土框架结构的多尺度有限元模型；然后，研究了钢筋混凝土框架结构的角柱和边中柱在同一重型汽车、不同撞击速度（20，50，80 km·h-1）下的动态响应、损伤机理及破坏模式；最后，与相关的规范、规则进行比较分析。

本文研究内容既对建筑结构的抗撞性能分析和耐撞性设计具有重要的参考意义，也对建筑物遭受汽车撞击后的修补和加固具有技术方面的指导意义。

1模型简介

1.1汽车有限元模型

世界上汽车制造行业发达的国家都有新车撞击试验项目及其承受能力的规定，通过撞击试验检验新车是否符合规范是必不可少的环节。美国国家碰撞分析中心（National Crash Analysis Center，NCAC）是美国联邦高速公路管理局（FHWA）、美国交通安全管理局（NHTSA）和乔治华盛顿大学（GW）共同创办的一个机构，具有世界上最大最全的汽车碰撞试验和汽车安全报告的数据库，并且研究人员及大众都可免费获得这些信息。本文所采用的重型汽车有限元模型77kN Ford Truck是来自NCAC网站上的公开免费模型，此模型也是ANSYS/LSDYNA能识别计算的K文件，汽车有限元模型如图1所示。

1.2钢筋混凝土框架结构有限元模型

由于侧向撞击作用具有持续时间短、碰撞力大的特点，作用于钢筋混凝土结构会导致结构快速破坏，但破坏范围基本限制为被撞柱及其相邻构件，最终可能会导致结构的局部倒塌。基于此，钢筋混凝土框架结构采用大型通用分析软件ANSYS/LSDYNA建立多尺度模型[1314]，包括碰撞直接相关区、碰撞间接相关区和碰撞无关区。